基于虚拟现实技术的电力系统实验教学软件开发

刘志博 李志鹏 纪书军 刘会兰

（1、华北电力大学 电力工程系，河北 保定071000 2、国网河北省电力有限公司深泽县供电分公司，河北 深泽050000 3、国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北 石家庄050000）

电力系统的模拟实验主要分为两种形式：使用真实物理设备的动态模拟和使用计算机程序的数学模拟。对于数量庞大的本科生而言，前者成本高昂，若每组实验人数较少，则需要的更多的实际设备和指导教师；若每组实验人数较多，则很难引导全部学生有效的参与到实验中来，很多学生实际上游离于实验之外，实验效果不佳；后者常常使用二维图形表示设备，偏重于理论分析，外观和交互方式过于抽象，对科研工作而言是有效的工具，对教学工作而言则显得缺乏直观性和吸引力。

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技术生成一个逼真的虚拟环境，用户通过交互设备，同虚拟世界中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术[1]。

其中，沉浸式虚拟现实使用头戴式显示设备（头显）和手柄定位用户的头部和手部位置及朝向，用户对虚拟世界的观察和交互与现实相似，与使用显示器和鼠标的桌面式虚拟现实相比具有更好的沉浸感和便利性[2，3]。随着VR 头显的普及化，虚拟现实技术在不同教育阶段和各个专业得到广泛使用[4-7]，并启发了教育工作者对革新教学模式的探索[8-10]。

本文结合沉浸式虚拟现实技术，设计一种侧重于操作和数据观察、记录的电力系统虚拟实验教学软件，通过实验讲解、设备介绍、动手操作和成绩评定等环节，力图帮助参与实验的本科学生同时获得真实试验环境和虚拟实验环境两者的优势，提升实验教学效果。

1 实验环境构成

本软件内含的实验包括两个同步发电机阻抗测定实验，分别使用静测法和三相突然短路法。软件内的虚拟实验环境分为三部分：三维模型、引导及讲解系统和打分系统。

1.1 三维模型

实验室建筑及设备的可见部分都以三维模型的形式展示，本实验涉及的设备包括发电机、调速柜、滑动变阻器、单相调压器、接触器、电压表、电流表、功率表、录波仪。设备上可以旋转移动的部件，应添加相应的动画及声音，以增添虚拟环境的真实性。

在三相突然短路法测定同步发电机阻抗的实验中，现实环境使用的是计算机来进行故障模拟软件和录波软件的显示和操作，而在虚拟环境中，为提高便捷性，可以直接使用类似触摸显示屏的元件供显示和操作。

1.2 引导和讲解系统

应为第一次使用虚拟现实设备的学生提供操作引导，帮助学生熟悉移动、设备交互、菜单调出和使用等行为。

实验讲解系统首先介绍设计本实验的目的，尽可能使用动画或视频、图片展示实验的意义，在提供相关理论知识后，使用选择题的形式引导学生重现设计实验的过程，在一定程度上帮助学生加强科学探究能力。

每个虚拟设备具有相应的说明，学生可以逐一选择了解实验设备，以便进行操作和完成实验。

对于学生经常遇到的问题，在软件中提供疑难解答，教师可自主更新其中的条目。若实验软件对实验室外人员开放，则需增加提问功能，方便指导教师远程解答。

1.3 打分系统

根据每名学生的操作数量和操作正误进行打分，小组实验中尽量避免操作较多的学生因个别错误得分反而低于操作较少的学生的情况。由于接线情况是小组所有成员都可以检查的，提交接线结果时应征得小组全体成员同意，因此若接线错误，应对全体成员统一扣除分数。

2 实验流程及细节

为提高沉浸感和实验操作的便利性，本文使用VR 头显配合手柄和定位基站作为输入输出设备。由于头显的屏幕显示效果不如显示器，容易出现模糊的情况，实验中弹出的菜单及平面图、文本框等组件最好与屏幕的相对位置保持不变，以尽可能避免显示不清的问题。

程序开始后，学生首先进入实验选择界面。选择要进行的实验后，进入对应的虚拟实验环境，界面中会弹出操作引导，帮助学生掌握移动和转身的操作。

由于本实验的操作区域较小（实验台前），移动方式建议选择空间追踪，以提高真实性和代入感。若移动空间不足，或学生想要近距离观察发电机等设备的三维模型时，再使用瞬移作为移动方式。

操作引导结束后，学生可在虚拟实验环境中自由查看，也可调出主菜单，点击“实验介绍”按钮。之后软件使用文字、图片等形式介绍实验目的和相关理论知识，学生确认学习完毕后，需思考实验方式，通过一步步回答选择题来完整理清实验思路。在对实验方法了然于胸之后，学生可以开始着手准备实验。

在默认模式下，点击设备特定位置可以进行操作。若学生对实验仪器尚不熟悉，可调出主菜单，切换为学习模式，在此模式下，学生点击设备时，画面中会弹出设备介绍窗口；若点击特定的组件，则会弹出对应的专门说明（如某个按钮或接线柱的作用）。在设备介绍窗口，点击“操作说明”按钮，则窗口消失，出现操作提示文字和语音说明。学生根据说明进行操作后，程序提示将设备复位，复位后则操作说明结束。

在了解实验设备之后，学生便可以开始进行实验。

在实验中，学生需要先在主菜单选择接线模式，使用导线连接实验设备，搭建实验所需的电网模型。因为存在多种可能的正确接线方式，所以需要为程序设置判定规则，判断接线是否满足要求。

在三相突然短路法实验中，电路如图1 所示。

图1 三相突然短路法测定同步发电机阻抗实验电路图

若录波仪和接触器的三相都已固定，则有不同接法的只有励磁绕组的负极和电流表级电压表。其中，励磁绕组的负极既可接在110V 电源的负极，也可接在滑动变阻器的负极，正确接法只有两种，可逐个判断；电压表只需两端分别接于不同的两相，电流表两端分别接电枢绕组和录波仪的同一相，或录波仪和接触器的同一相即可。

在静测法实验中，电路如图2 所示。

图2 静测法测定同步发电机阻抗实验电路图

此电路有不同接法之处在于电枢绕组与单相调压器之间。在任一时刻，电枢绕组只有两相接入电路中，另外一相闲置。为判断串/并联关系，可为接线端做相别标记。电枢绕组三相分别标记为A/B/C，任意两个用导线相连接的接线端，若皆无标记或标记相同则不作改变；若其中一个有标记，则为另一个接线端添加同样的标记；若皆有标记且不相同，则报错。电流表两个接线端的标记方式同上。标记流程如图3 所示。

其中A 和B 为设备的两个接线端。为避免已经接好的接线端标记无法刷新的情况，对任意设备进行接线操作后，所有设备接线端的标记都要刷新。

图3 标记功能流程图

标记好相别后，程序便可判断接线是否正确。具体判断方法为：电压表两接线柱、功率表两电压接线柱和单相调压器两接线柱标记为相同的两相；电流表两接线柱相别相同，且为电压表两接线柱对应的其中一个相别；功率表两电流接线柱与电流表判断方法相同。

接线完成之后，学生还需要对表计的量程进行调节。一些表计用来观测特定物理量是否达到目标值，这些表计的量程实验前可以计算，因此若学生选错应当扣分；其他表计则可以根据实际情况进行选择，只要最终记录数据时量程选择正确即可。

之后便可开始实验操作。在某些情况下，操作对象很小，手柄方向容易偏离。在编写软件时，需注意当指示射线偏离操作对象指向其附近物体（如柜体）时，射线应停留在附近物体表面，而不应穿透物体射向后方，以方便学生查看偏离情况，微调手柄指向的位置。

实验成绩的评定主要依据数据记录和处理情况。学生可调出实验记录表，查看不同实验项目应满足的条件，并在对应条件下进行实验。需观察的表计应具有记录按钮，若表计显示实际值，则按下按钮时的数据直接自动填入实验记录表中；若表计只显示格数，则格数、量程和总格数都会填入实验记录表，学生需课后计算实际值。实验数据和波形图通过局域网传输到教师的计算机上，打印出来作为学生实验报告的一部分。

3 结论

使用虚拟实验的形式进行本科生教学实验，可很好的解决实际设备和指导教师数量不足的问题，并且可以通过灵活分组调整实验小组的人员数量，保证各成员之间可以相互协作，避免任务过于繁重或人数过多部分成员无事可做的情况。学生在操作时调取设备说明，可提高学习的主动性和针对性。同时计算机又可以很方便的对学生的操作行为做出评分。本文设计的虚拟实验软件既符合以上优点，又解决了在正确接线方式不止一种的情况下如何判定接线正误的问题，为学生的操作提供了自主性和更多的可能性。